【UE】[暗黑Shader] [Lumen 折射 1] 基于 Lumen Surface Cache 实现物理正确的折射 （0成本、不使用光追和屏幕空间）

在这篇文章《【UE】一种制作伪透明效果的暗黑Shader技术》中展示了一种利用不透明材质强行劫持法线从而“白嫖” Lumen Surface CacheLumen表面缓存实现透明效果的 Hack 手法。本篇文章作为该方案的进阶扩展篇。我们将引入标准的物理折射Refraction计算通过推导屈光光路来采样 Lumen 表面缓存。这套方案完美绕开了传统屏幕空间折射SSR因非渲染区域数据缺失而导致的穿帮问题在非光追环境下也能跑出准确的折射。实现思路具体原理在《【UE】一种制作伪透明效果的暗黑Shader技术》中已经有过详细介绍。简单地说传统的折射材质需要依赖半透明管线而我们的不透明Opaque材质想要获得后面的场景图像只能走反射Reflection通道。因此为了让 Lumen 的反射光线精准地撞击到物理折射应该对应的场景位置我们需要推导出一根“Hack欺骗”引擎的假法线Fake Normal。当这根假法线输入到材质的 Normal 节点后Lumen 就会乖乖地顺着我们计算好的屈光路径去采样表面缓存从而呈现出完美的物理折射效果。材质 Custom 节点实现在材质编辑器中创建一个Custom节点并添加两个输入CamV连接CameraVector相机向量。N物体的基础法线如水面、玻璃表面法线默认可直接给(0,0,1)。HLSL 代码// // 真实水面折射让 Lumen trace 沿水下真实折射光线方向 // 入射(空气) - 折射(水中)斯涅尔定律 n1·sin(i) n2·sin(γ) // float3 V CamV; // 表面 - 相机已单位化 float eta 1.0 / 1.33; // 空气 - 水 0.75188 // 入射方向相机 - 水面光线实际传播方向 float3 incident -V; // 入射角余弦 float cosI dot(V, N); // 斯涅尔折射方向 float sin2T eta * eta * (1.0 - cosI * cosI); // sin²(γ) float cosT sqrt(1.0 - sin2T); // cos(γ)空气进水永远有解 // 折射光线方向进入水中 float3 refractDir eta * incident (eta * cosI - cosT) * N; // 反推 fakeN使 reflect(V, fakeN) refractDir float3 fakeN normalize(refractDir V); return fakeN;效果调校材质的粗糙度 (Roughness)依然有效。你可以给粗糙度一张噪声贴图或微小数值Lumen 表面缓存会顺着这根假法线自带细腻的模糊效果非常适合制作磨砂玻璃、厚重水晶或带有波浪起伏的写实水面。介质微调可以通过将代码中的1.33水的折射率抽离为材质参数如玻璃通常为1.5来实现不同介质的屈光度调节。若出现黑斑或黑影需关掉关掉水面的距离场影响后期中禁用反射的屏幕追踪看看这标准的折射对比一下屈光双面增加TwoSidedSign输入实现双面水面需要引入全内反射使光线弹回原介质(斯涅尔窗)原理在这篇文章提到。// // 双面真实水面折射 (Lumen Hack) // 正面: 空气-水 (eta1, 无全反射) // 背面: 水-空气 (eta1, 可能全内反射) // float3 V CamV; // 表面 - 相机 // ---------- 1. 根据正反面确定法线与折射率 ---------- // TwoSidedSign: 正面1, 背面-1 float3 Nn N * TwoSidedSign; // 背面时翻转法线, 使其始终指向入射介质一侧(朝相机) float eta (TwoSidedSign 0.0) ? (1.0 / 1.33) // 空气-水 : (1.33 / 1.0); // 水-空气 // ---------- 2. 斯涅尔折射 ---------- float3 incident -V; float cosI dot(V, Nn); // 入射角余弦 (相对有效法线) float sin2T eta * eta * (1.0 - cosI * cosI); // sin²(γ) float3 outDir; if (sin2T 1.0) { // ---------- 全内反射: 光线弹回原介质 ---------- // 反射方向: reflect(incident, Nn) incident - 2(incident·Nn)Nn outDir incident - 2.0 * dot(incident, Nn) * Nn; // 2*cosI*Nn - V } else { // ---------- 正常折射 ---------- float cosT sqrt(1.0 - sin2T); outDir eta * incident (eta * cosI - cosT) * Nn; } // ---------- 3. 反推 fakeN: 使 reflect(V, fakeN) outDir ---------- float3 fakeN normalize(outDir V); // ---------- 4. fakeN 需回到原始法线半空间 (供切线空间变换) ---------- // 因为前面用 Nn 翻转过, 背面时 fakeN 也要翻回, 与几何法线一致 fakeN * TwoSidedSign; return fakeN;材质蓝图节点由于时间关系之后会补齐内容材质蓝图节点制作实现反射很明显由于我们占用法线去Hack了Lumen所有缺少正确的法线去产生反射。好在UE中你有几种方法来实现双层法线以实现反射使用 Substrate BSDF 的 Layer 混合。开启 Clear Coat 双层法线将此法线作为内层。Substrate由于现在可以在个别材质中无损的选择是否使用Substrate 因此这是推荐用法。